Kondenzatorji so predvsem naprave za shranjevanje naboja, vendar imajo v primerjavi z baterijami precej manjšo kapaciteto za shranjevanje naboja. Vendar pa je njihova življenjska doba veliko daljša kot pri baterijah, osnovni princip delovanja kondenzatorjev je enak, čeprav so razdeljeni v različne kategorije glede na notranjo zgradbo. Grafenski kondenzator je vrsta superkondenzatorja, ki ima plasti grafena, ki zagotavljajo veliko bolj prosto gibanje elektronov in omogočajo učinkovito odvajanje toplote.
Oris:
- Kaj so superkondenzatorji?
- Delovanje superkondenzatorjev
- Grafenski superkondenzator
- Elektrode na osnovi grafena v superkondenzatorjih
- Zmogljivost superkondenzatorjev na osnovi grafena
- Zaključek
Kaj so superkondenzatorji?
Za razumevanje grafenskega kondenzatorja je potrebno poznati superkondenzatorje, saj tudi grafenski kondenzator spada v kategorijo superkondenzatorjev. Za razliko od običajnih kondenzatorjev imajo supper kondenzatorji drugačno notranjo konstrukcijo, kar vpliva tudi na njihove lastnosti. Superkondenzator ima elektrolite, ki so ločeni z izolacijskim medijem in ima elektrode z aktivnim ogljem, ki so v stiku z elektrolitom. Elektrolit je večinoma žveplova kislina ali kalijev oksid, separator pa je običajno Kapton:
Delovanje superkondenzatorjev
Ko superkondenzator ni povezan z nobenim virom energije, so naboji ne glede na njihovo polariteto razpršeni po elektrolitu, ko je vir električne energije priključen preko njega, začne tok teči iz kondenzatorja in ko anoda dobi pozitivni naboj vseh negativni ioni v elektrolitu težijo k premikanju proti anodni elektrodi. Medtem ko se katoda negativno nabije in vsi pozitivni ioni se premaknejo proti katodi:
Ta sila privlačnosti med elektrodo in elektrolitom je elektrostatična sila in ta privlačnost ionov k elektrodam povzroči nastanek dvojne električne plasti. Ta plast je odgovorna za shranjevanje nabojev in zaradi nastanka te plasti superkondenzatorje imenujemo tudi električni dvoslojni kondenzatorji.
Tako se napolni superkondenzator in ko je kakršno koli breme priključeno na sponke superkondenzatorja, začne naboj na elektrodah teči iz bremena. Na ta način začneta obe elektrodi izgubljati naboj, ker ne moreta pritegniti nabojev in posledično, ko vsi naboji zapustijo elektrodi, se kondenzator izprazni.
Zdaj so ioni spet razpršeni po elektrolitih in tako deluje preprost superkondenzator.
Grafenski superkondenzator
Grafen prihaja iz grafita, ki je večinoma znotraj svinčnikov in je elektroda ogljika z enakim številom atomov, le da so ti drugače razporejeni. Za razliko od grafita ima grafen dvodimenzionalno plast enega atoma, ki je razporejena v obliki šesterokotnega satja. Ta struktura omogoča atomom ustvarjanje močnih kovalentnih vezi, kar mu daje večjo natezno trdnost in visoko prožnost. Zaradi teh lastnosti grafen omogoča prosto gibanje elektronov in večjo električno prevodnost.
Ker imajo superkondenzatorji krajše razdalje med ploščami, kar jim omogoča shranjevanje več statičnega naboja, ima grafen zelo tanko plast, ki je v primerjavi s plastjo aluminija velika kot atom. Tako ima grafenski kondenzator bistveno večjo površino, kar mu omogoča shranjevanje več energije v primerjavi z drugimi superkondenzatorji.
Elektrode na osnovi grafena v superkondenzatorjih
Grafen, kot je omenjeno zgoraj, zagotavlja večjo površino, ki poveča zmogljivost kondenzatorja za shranjevanje naboja. Za izdelavo elektrod z uporabo grafena se uporabljajo različne tehnike in dve izmed njih sta:
Izdelava Graphene Foam
Grafenska elektroda, izdelana iz grafenske pene, zagotavlja večjo prevodnost, lahke in fleksibilne elektrode, katerih površino je mogoče razširiti do nekaj cm 2 višina pa do nekaj milimetrov. Pena grafena je ustvarjena s tehniko kemičnega naparjevanja z gojenjem na nikljevi ali bakreni peni. Ko je grafenska pena ustvarjena na bakreni peni, proizvede visokokakovostno grafensko plast, vendar se lahko struktura zlahka zruši, ko kovinsko oporo odstranimo. Vendar pa je namesto tega mogoče uporabiti nikljevo peno za ustvarjanje večplastne grafenske plasti, ki jo je mogoče previdno izvleči iz kovinskega nosilca brez kakršnih koli poškodb. Poleg tega lahko reducirani grafenov oksid nastane tudi iz nikljeve pene s to kemično sintezo. Z grafenom se uporabljajo nekateri dodatki, ki pomagajo pri doseganju visoke gostote moči in zagotavljajo krajše poti za elektrone in ione ter tako povečajo hitrost nabojev. Ti dodatki so lahko kovinski oksidi, prevodni polimeri in kovinski hidroksidi, zaradi katerih je izdelava elektrod na osnovi grafena cenejša.
Zgornja slika ponazarja postopek oblikovanja grafenske plasti z uporabo metode kemičnega naparjevanja.
Izdelava z laserskim pisanjem
Metoda laserskega pisanja je sorazmerno cenejša in proizvede 3D porozni grafen v enem koraku z zmanjšanjem tehnike zmanjševanja velikih površin. Pri tej metodi se na predlogo najprej nanese tanka plast grafena, nato pa komercialni laser obseva plast grafenovega oksida. Ko laserska svetloba pade na grafenov oksid, ustvari porozen prevodni material v območju izpostavljenosti.
Posledično se poveča površina za elektrolitske ione in znatno zmanjša vsebnost kisika. Tako kot pri prejšnji metodi lahko tudi pri neposrednem laserskem pisanju uporabimo nekatere dodatke, to je, da je substrat lahko mešanica grafenovega oksida in polimera ali pa je substrat tudi samo polimer. Tukaj je slika, ki prikazuje postopek neposrednega laserskega pisanja:
Zmogljivost superkondenzatorjev na osnovi grafena
Grafenski kondenzatorji imajo učinkovit prenos elektronov in ionov, kar ima za posledico visoko gravimetrično in volumetrično zmogljivost. Poleg tega izkazujejo večjo stabilnost hitrosti cikla in večjo energijsko zmogljivost.
Za proučevanje delovanja in obnašanja različnih naprav za shranjevanje energije se uporablja graf Ragone, v katerem je vrednost specifične energije (Wh/Kg) prikazana glede na specifično moč (W/Kg). Graf uporablja logaritmično lestvico za obe osi. Y-os meri specifično energijo, ki je količina energije na enoto mase. Os x meri gostoto moči, ki je hitrost dovajanja energije na enoto mase.
Točka na grafu Ragone tako z drugimi besedami podaja količino časa, v katerem se lahko energija (na enoto mase) na osi y dostavi v moči (na enoto mase) na osi x, in ta čas ( v eni uri) je podana kot razmerje med gostoto energije in moči. Nato so izokrivulje (konstantni čas dostave) na grafu Ragone ravne črte z enotnim naklonom. Spodnji grafikon Ragone prikazuje specifično energijo (Wh/Kg) v primerjavi s specifično močjo (W/Kg) za različne naprave za shranjevanje energije:
Zaključek
Grafenski kondenzator je vrsta superkondenzatorja, ki ima elektrode iz grafena, ki prihaja iz grafita. Grafen zagotavlja veliko površino elektrolitu, kar ima za posledico povečanje kapacitivnosti in ima tudi kratek čas polnjenja. Poleg tega obstajajo različne tehnike za ustvarjanje grafenskih elektrod, dve od njih sta: grafenska pena in direktno lasersko pisanje.